光電檢測(cè)輻射與光量PPT課件

1、第1頁(yè)/共108頁(yè) 另一類是生理的，叫作另一類是生理的，叫作光度學(xué)量光度學(xué)量，是描述光是描述光輻射能為平均人眼接受所引起的視覺刺激大小的強(qiáng)輻射能為平均人眼接受所引起的視覺刺激大小的強(qiáng)度，即光度量是具有標(biāo)準(zhǔn)人眼視覺特性的人眼所接度，即光度量是具有標(biāo)準(zhǔn)人眼視覺特性的人眼所接受到輻射量的度量。受到輻射量的度量。在光學(xué)中，用來定量地描述輻射能強(qiáng)度的量有兩類在光學(xué)中，用來定量地描述輻射能強(qiáng)度的量有兩類: : 一類是物理的，叫作一類是物理的，叫作輻射度學(xué)量輻射度學(xué)量，是用能量單是用能量單位描述光輻射能的客觀物理量；位描述光輻射能的客觀物理量；第2頁(yè)/共108頁(yè)ergJJcal710118. 41 1 1、

2、輻射能輻射能Qe：輻射能是一種以電磁波的形式發(fā)射、傳播或接收的能量，單位為：輻射能是一種以電磁波的形式發(fā)射、傳播或接收的能量，單位為J J( (焦耳焦耳) )。2 2輻射能密度輻射能密度 we : :光源在單位體積內(nèi)的輻射能稱為光源的輻射能密度。光源在單位體積內(nèi)的輻射能稱為光源的輻射能密度。dVdQwee/第3頁(yè)/共108頁(yè) 3 3、輻射通量輻射通量e：又稱輻射功率，是輻射能的時(shí)間變化率，單位為瓦：又稱輻射功率，是輻射能的時(shí)間變化率，單位為瓦 (1W=1(1W=1J J/s)/s)，是單位時(shí)間內(nèi)發(fā)射、，是單位時(shí)間內(nèi)發(fā)射、 傳播或接收的輻射能。傳播或接收的輻射能。dtdQee/ 4 4、輻射強(qiáng)度

3、輻射強(qiáng)度 Ie：輻射強(qiáng)度定義為從一個(gè)點(diǎn)光源發(fā)出的，在單位時(shí)間內(nèi)、給定輻射強(qiáng)度定義為從一個(gè)點(diǎn)光源發(fā)出的，在單位時(shí)間內(nèi)、給定方向上單位立體角內(nèi)所輻射出的能量，單位為方向上單位立體角內(nèi)所輻射出的能量，單位為W Wsr(sr(瓦每球面度瓦每球面度) )， ddIee/第4頁(yè)/共108頁(yè)coscos2dSdddSdILeee 5 5、輻射亮度輻射亮度 L Le e：由輻射表面定向發(fā)射的的輻射強(qiáng)度，除于該面元在垂直于該：由輻射表面定向發(fā)射的的輻射強(qiáng)度，除于該面元在垂直于該方向的平面上的正投影面積。單位為方向的平面上的正投影面積。單位為 ( (瓦每球面度平方米瓦每球面度平方米) ) 。 第5頁(yè)/共108頁(yè)d

4、AdMee/ 6 6、輻射出射度輻射出射度MMe e：輻射體在單位面積內(nèi)所輻射的通量輻射體在單位面積內(nèi)所輻射的通量，d de 是擴(kuò)展源表是擴(kuò)展源表面面dAdA在各方向上在各方向上( (通常為半空間立體角通常為半空間立體角) )所發(fā)出的總的輻射通量，單位為瓦所發(fā)出的總的輻射通量，單位為瓦/ /米米2 2 ( (瓦每平瓦每平方米方米) )。 7 7、輻射照度輻射照度Ee：投射在單位面積上的輻射通量投射在單位面積上的輻射通量，單位為，單位為 ( (瓦每平方米瓦每平方米) )。dA是投射輻射通量的面積元。是投射輻射通量的面積元。 dAdEee/第6頁(yè)/共108頁(yè) 輻射照度和輻射出射度的單位相同，其輻射

5、照度和輻射出射度的單位相同，其區(qū)別僅在于前者是描述區(qū)別僅在于前者是描述輻射接收面輻射接收面所接收的輻所接收的輻射特性，而后者則為描述射特性，而后者則為描述擴(kuò)展輻射源擴(kuò)展輻射源向外發(fā)射向外發(fā)射的輻射特性。的輻射特性。 對(duì)于理想的散射面，有對(duì)于理想的散射面，有 Ee= Me 第7頁(yè)/共108頁(yè) 光譜輻射度量光譜輻射度量：光譜輻射度量也叫輻射量：光譜輻射度量也叫輻射量的的光譜密度光譜密度。輻射源所輻射的能量往往由許。輻射源所輻射的能量往往由許多不同波長(zhǎng)的單色輻射所組成，為了研究各多不同波長(zhǎng)的單色輻射所組成，為了研究各種波長(zhǎng)的輻射通量，需要對(duì)某一波長(zhǎng)的單色種波長(zhǎng)的輻射通量，需要對(duì)某一波長(zhǎng)的單色光的輻射

6、能量作出相應(yīng)的定義。光的輻射能量作出相應(yīng)的定義。光譜輻射度光譜輻射度量是單位波長(zhǎng)間隔內(nèi)的輻射度量。量是單位波長(zhǎng)間隔內(nèi)的輻射度量。 第8頁(yè)/共108頁(yè) 1 1、光譜輻射通量光譜輻射通量 ：光源發(fā)出的光在每單位波長(zhǎng)間隔內(nèi)的輻射通量，也：光源發(fā)出的光在每單位波長(zhǎng)間隔內(nèi)的輻射通量，也稱光譜密度或單色輻射通量。單位為稱光譜密度或單色輻射通量。單位為( (瓦每微米瓦每微米) ) 或或 ( (瓦每納米瓦每納米) )。 e dde 在波長(zhǎng)在波長(zhǎng) 處的光譜輻射通量為處的光譜輻射通量為 在整個(gè)光譜內(nèi)，總的輻射通量為在整個(gè)光譜內(nèi)，總的輻射通量為 de0第9頁(yè)/共108頁(yè) ddIIe)( 3 3、光譜輻射強(qiáng)度光譜輻射

7、強(qiáng)度I ：光源發(fā)出的光在每單位波長(zhǎng)間隔內(nèi)的輻射強(qiáng)度。：光源發(fā)出的光在每單位波長(zhǎng)間隔內(nèi)的輻射強(qiáng)度。 ddMMe)( 2 2、光譜輻射出射度光譜輻射出射度M：光源發(fā)出的光在每單位波長(zhǎng)間隔內(nèi)的輻射出射度。：光源發(fā)出的光在每單位波長(zhǎng)間隔內(nèi)的輻射出射度。eMdM0)(eIdI0)(第10頁(yè)/共108頁(yè) ddEEe)( 4 4、光譜輻射亮度光譜輻射亮度L ：光源發(fā)出的光在每單位波長(zhǎng)間隔內(nèi)的輻射亮度。：光源發(fā)出的光在每單位波長(zhǎng)間隔內(nèi)的輻射亮度。 ddLLe)( 5 5、光譜輻射照度光譜輻射照度E ：光源發(fā)出的光在每單位波長(zhǎng)間隔內(nèi)的輻射照度。：光源發(fā)出的光在每單位波長(zhǎng)間隔內(nèi)的輻射照度。eLdL0)(eEdE0

8、)(第11頁(yè)/共108頁(yè)1 1、關(guān)于輻射度量，正確的是（、關(guān)于輻射度量，正確的是（ ）A、Ee是描述擴(kuò)展輻射源向外發(fā)射的輻射特性是描述擴(kuò)展輻射源向外發(fā)射的輻射特性B、Ie為從一個(gè)點(diǎn)光源發(fā)出的，給定方向上單位立體角內(nèi)所為從一個(gè)點(diǎn)光源發(fā)出的，給定方向上單位立體角內(nèi)所 輻射出的輻射能輻射出的輻射能 C、 對(duì)于理想的散射面，有對(duì)于理想的散射面，有Ee= Me D、 e是輻射能的時(shí)間變化率是輻射能的時(shí)間變化率 第12頁(yè)/共108頁(yè) 在任何條件下，完全吸收任何波長(zhǎng)的外來輻射在任何條件下，完全吸收任何波長(zhǎng)的外來輻射而無任何反射的物體。吸收系數(shù)為而無任何反射的物體。吸收系數(shù)為1 1 。 對(duì)于各種波長(zhǎng)的電磁波的

9、吸收系數(shù)為常數(shù)且與對(duì)于各種波長(zhǎng)的電磁波的吸收系數(shù)為常數(shù)且與波長(zhǎng)無關(guān)的物體，其吸收系數(shù)介于波長(zhǎng)無關(guān)的物體，其吸收系數(shù)介于0 0與與1 1之間的物之間的物體。體。2 2、什么是黑體？、什么是黑體？3 3、什么是灰體？、什么是灰體？第13頁(yè)/共108頁(yè) 由于大部分光源是作為照明用的，而且照明的效果最終是以人眼來評(píng)定的由于大部分光源是作為照明用的，而且照明的效果最終是以人眼來評(píng)定的 ，因此照明光源的光學(xué)特性必須用基于人眼視覺的光學(xué)參數(shù)量即光度量來描述。因此照明光源的光學(xué)特性必須用基于人眼視覺的光學(xué)參數(shù)量即光度量來描述。 光度量是人眼對(duì)相應(yīng)輻射度量的視覺強(qiáng)度值。光度量是人眼對(duì)相應(yīng)輻射度量的視覺強(qiáng)度值。能

10、量相同而波長(zhǎng)不同的光能量相同而波長(zhǎng)不同的光，對(duì)人眼引起的視覺強(qiáng)度是不相同的。對(duì)人眼引起的視覺強(qiáng)度是不相同的。第14頁(yè)/共108頁(yè) 光度量只在光譜的光度量只在光譜的(380nm-780nm)才有意義。才有意義。輻射度量輻射度量符號(hào)符號(hào)單位單位光度量光度量符符號(hào)號(hào)單位單位輻射能輻射能QeJ光量光量Qlm.s輻射通量輻射通量 eW光通量光通量lm（流明流明）輻射強(qiáng)度輻射強(qiáng)度IeW/sr發(fā)光強(qiáng)度發(fā)光強(qiáng)度Icd（坎德拉坎德拉）=lm/sr輻射照度輻射照度EeW/m2光照度光照度Elx(勒克斯勒克斯)=lm/m2輻射出射度輻射出射度MeW/m2光出射度光出射度Mlm/m2輻射亮度輻射亮度LeW/sr.m2

11、光亮度光亮度Lcd/m2第15頁(yè)/共108頁(yè) 光度量中最基本的單位是發(fā)光強(qiáng)度單位光度量中最基本的單位是發(fā)光強(qiáng)度單位坎德拉坎德拉，記作，記作cd，它是國(guó)際單位制，它是國(guó)際單位制中七個(gè)基本單位之一。其定義是中七個(gè)基本單位之一。其定義是555nm555nm波長(zhǎng)的單色輻射，在給定方向上的輻射強(qiáng)度波長(zhǎng)的單色輻射，在給定方向上的輻射強(qiáng)度為為1683Wsr-1時(shí)，在該方向上的發(fā)光強(qiáng)度為時(shí)，在該方向上的發(fā)光強(qiáng)度為lcd。 光通量的單位是光通量的單位是流明流明(lm)，它是發(fā)光強(qiáng)度為，它是發(fā)光強(qiáng)度為lcd的均勻點(diǎn)光源在單位立體角內(nèi)發(fā)的均勻點(diǎn)光源在單位立體角內(nèi)發(fā)出的光通量。出的光通量。 光照度的單位是光照度的單位

12、是勒克斯勒克斯( (lx)，它相當(dāng)于，它相當(dāng)于lm的光通量均勻地照在的光通量均勻地照在1m1m2 2面積上所產(chǎn)生面積上所產(chǎn)生的光照度。的光照度。 第16頁(yè)/共108頁(yè) 人眼對(duì)各種波長(zhǎng)的光的感光靈敏度是不一樣的，一般情況下，對(duì)人眼對(duì)各種波長(zhǎng)的光的感光靈敏度是不一樣的，一般情況下，對(duì)。 視見函數(shù)：視見函數(shù)：國(guó)際照明委員會(huì)（國(guó)際照明委員會(huì)（CIECIE）根據(jù)對(duì)許多人的大量觀察結(jié)果，用平均值）根據(jù)對(duì)許多人的大量觀察結(jié)果，用平均值的方法，確定了人眼對(duì)各種波長(zhǎng)的光的的方法，確定了人眼對(duì)各種波長(zhǎng)的光的，稱為，稱為“標(biāo)準(zhǔn)光度觀察者標(biāo)準(zhǔn)光度觀察者”的光譜光視效率的光譜光視效率V(),或稱視見函數(shù)?；蚍Q視見函數(shù)。

13、1)(V1)075(:1)555(:nmVnmV暗視覺明視覺第17頁(yè)/共108頁(yè) 1 1、光通量光通量 ：光輻射通量對(duì)人眼所引起的視覺強(qiáng)度值。：光輻射通量對(duì)人眼所引起的視覺強(qiáng)度值。 例：若在波長(zhǎng)例：若在波長(zhǎng)到到d間隔之內(nèi)的光源輻射通量為間隔之內(nèi)的光源輻射通量為e, d 。則光通量為。則光通量為780380,)()(dVKdVKemem Km為輻射度量與光度量之間的比例系數(shù)，單位為流明為輻射度量與光度量之間的比例系數(shù)，單位為流明/ /瓦，瓦， Km683lm/W，它表它表示在波長(zhǎng)為示在波長(zhǎng)為555nm處，即人眼光譜光視效率最大（處，即人眼光譜光視效率最大（V()=1）處）處, ,與與1w的輻射能

14、通量相的輻射能通量相當(dāng)?shù)墓馔繛楫?dāng)?shù)墓馔繛?83lm；換句話，此時(shí)；換句話，此時(shí)1lm相當(dāng)于相當(dāng)于1/683W第18頁(yè)/共108頁(yè) 2 2、發(fā)光強(qiáng)度發(fā)光強(qiáng)度I：光源在給定方向上，單位立體角內(nèi)所發(fā)出的光通量，稱為光源在：光源在給定方向上，單位立體角內(nèi)所發(fā)出的光通量，稱為光源在該方向上的發(fā)光強(qiáng)度。該方向上的發(fā)光強(qiáng)度。ddI 3 3、光出射度光出射度M：光源表面給定點(diǎn)處單位面積內(nèi)所發(fā)出的光通量，稱為光源在該：光源表面給定點(diǎn)處單位面積內(nèi)所發(fā)出的光通量，稱為光源在該點(diǎn)的光出射度。點(diǎn)的光出射度。dAdM第19頁(yè)/共108頁(yè)dAdE 4 4、光照度光照度E：被照明物體給定點(diǎn)處單位面積上的入射光通量，稱為該

15、點(diǎn)的光照度。：被照明物體給定點(diǎn)處單位面積上的入射光通量，稱為該點(diǎn)的光照度。第20頁(yè)/共108頁(yè) 用點(diǎn)光源照明時(shí)，被照面的照度用點(diǎn)光源照明時(shí)，被照面的照度E與光與光源的發(fā)光強(qiáng)度源的發(fā)光強(qiáng)度I成正比，而與被照面到光源的成正比，而與被照面到光源的距離距離l的平方成反比。的平方成反比。 2lIE 第21頁(yè)/共108頁(yè)2224444RIRIdAdERdAdERII的球面上的輻射照度為半徑為又的總輻射通量為在理想情況下，點(diǎn)光源設(shè)點(diǎn)光源的輻射強(qiáng)度為第22頁(yè)/共108頁(yè) 如果被照面不垂直于光線方向，而法線與光線的夾角為如果被照面不垂直于光線方向，而法線與光線的夾角為，則：，則：cos2lIE 對(duì)于受到光照后成

16、為面光源的表面來說，其光出射度與光照度成正比，對(duì)于受到光照后成為面光源的表面來說，其光出射度與光照度成正比，其中其中為漫反射率，它小于為漫反射率，它小于1，它與表面的性質(zhì)無關(guān)。，它與表面的性質(zhì)無關(guān)。EM第23頁(yè)/共108頁(yè) 5 5、光亮度光亮度L：光源表面一點(diǎn)處的面元：光源表面一點(diǎn)處的面元dA在給定方向上的發(fā)光強(qiáng)度在給定方向上的發(fā)光強(qiáng)度dI與該面元在垂與該面元在垂直于給定方向的平面上的正投影面積之比，稱為光源在該方向上的亮度。直于給定方向的平面上的正投影面積之比，稱為光源在該方向上的亮度。 為給定方向?yàn)榻o定方向與面元法線間的夾角。與面元法線間的夾角。cosdAdIL 6 6、光量光量Q：光通量

17、：光通量對(duì)時(shí)間的積分，稱為光量。對(duì)時(shí)間的積分，稱為光量。dtQ第24頁(yè)/共108頁(yè)1 1、關(guān)于光度量，正確的是（、關(guān)于光度量，正確的是（ ） A A、輻射通量的單位為勒克斯、輻射通量的單位為勒克斯 B B、發(fā)光強(qiáng)度的單位為坎德拉、發(fā)光強(qiáng)度的單位為坎德拉 C C、光通量的單位為流明、光通量的單位為流明 D D、光照度的單位為坎德拉、光照度的單位為坎德拉 第25頁(yè)/共108頁(yè)2、國(guó)際單位制中7個(gè)基本單位有哪些？熱力學(xué)溫度（開爾文）物質(zhì)的量 （摩爾）發(fā)光強(qiáng)度 （坎德拉）長(zhǎng)度 （米）質(zhì)量 （千克）時(shí)間 （秒）電流 （安培）第26頁(yè)/共108頁(yè) 明視覺：錐狀細(xì)胞只對(duì)亮度超過10-3cd/m2的光才敏感，

18、其敏感的光譜范圍為可見光，在555納米處最為敏感，而且能分辨顏色。這種視覺功能稱為明視覺或錐體細(xì)胞視覺； 暗視覺：亮度低于10-3cd/m2的時(shí)，桿狀細(xì)胞起作用。其敏感的光譜范圍為0.33微米0.73微米，在507納米處最為敏感，不能分辨顏色。這種視覺功能稱為暗視覺或夜間視覺；第27頁(yè)/共108頁(yè)對(duì)于明視覺，刺激程度平衡條件為：對(duì)于明視覺，刺激程度平衡條件為： ,emXVKX其中：其中：Km為為555555納米處的光度量對(duì)輻射度量的轉(zhuǎn)納米處的光度量對(duì)輻射度量的轉(zhuǎn)換常數(shù)。換常數(shù)。光度參量光度參量輻射度參量輻射度參量WlmKm683第28頁(yè)/共108頁(yè)對(duì)于暗視覺，刺激程度平衡條件為：對(duì)于暗視覺，刺

19、激程度平衡條件為： ,emXVKX光度參量光度參量輻射度參量輻射度參量WlmKm1725其中：其中： 為為507507納米處的光度量對(duì)輻射度量的轉(zhuǎn)納米處的光度量對(duì)輻射度量的轉(zhuǎn)換常數(shù)。換常數(shù)。mK第29頁(yè)/共108頁(yè)1 1、通常把對(duì)應(yīng)于真空中波長(zhǎng)在（、通常把對(duì)應(yīng)于真空中波長(zhǎng)在（ ）到（）到（ ）范圍內(nèi)的電磁輻射稱為光輻射。）范圍內(nèi)的電磁輻射稱為光輻射。2 2、在光學(xué)中，用來定量地描述輻射能強(qiáng)度的量有兩類，一類是（、在光學(xué)中，用來定量地描述輻射能強(qiáng)度的量有兩類，一類是（ ），另一類），另一類是（是（ ）。）。3 3、光具有波粒二象性，既是（、光具有波粒二象性，既是（ ），又是（），又是（ ）。光的

20、傳播過程中主要表現(xiàn)為）。光的傳播過程中主要表現(xiàn)為（ ），但當(dāng)光與物質(zhì)之間發(fā)生能量交換時(shí)就突出地顯示出光的（），但當(dāng)光與物質(zhì)之間發(fā)生能量交換時(shí)就突出地顯示出光的（ ）。）。 第30頁(yè)/共108頁(yè)1 1、輻射度量與光度量的根本區(qū)別是什么？、輻射度量與光度量的根本區(qū)別是什么？2 2、輻射照度和輻射出射度的區(qū)別是什么？、輻射照度和輻射出射度的區(qū)別是什么？ 證明點(diǎn)光源照度的距離平方反比定律，兩個(gè)相距證明點(diǎn)光源照度的距離平方反比定律，兩個(gè)相距1010倍的相同探測(cè)器上的照度相差多倍的相同探測(cè)器上的照度相差多少倍？少倍？第31頁(yè)/共108頁(yè)已知某激光器的輸出功率為已知某激光器的輸出功率為3mW3mW，波長(zhǎng)視見

21、函數(shù)為，波長(zhǎng)視見函數(shù)為0.240.24，試計(jì)算其發(fā)出的光通量。，試計(jì)算其發(fā)出的光通量。第32頁(yè)/共108頁(yè) 物體按導(dǎo)電能力分：物體按導(dǎo)電能力分：導(dǎo)體、絕緣體導(dǎo)體、絕緣體和和半導(dǎo)體半導(dǎo)體。做光電器件的主要材料為半導(dǎo)體，電阻率在做光電器件的主要材料為半導(dǎo)體，電阻率在10106 610103 3cmcm范圍之內(nèi)的物質(zhì)稱為導(dǎo)體；電阻率大于范圍之內(nèi)的物質(zhì)稱為導(dǎo)體；電阻率大于10101212cm cm 以上的物質(zhì)稱為絕緣體；介于它們之間以上的物質(zhì)稱為絕緣體；介于它們之間的物質(zhì)稱為半導(dǎo)體。的物質(zhì)稱為半導(dǎo)體。 第33頁(yè)/共108頁(yè) 半導(dǎo)體的電阻溫度系數(shù)一般是負(fù)的。它對(duì)溫半導(dǎo)體的電阻溫度系數(shù)一般是負(fù)的。它對(duì)溫度

22、的變化非常敏感。度的變化非常敏感。 半導(dǎo)體的導(dǎo)電性能可受極微量雜質(zhì)的影響而半導(dǎo)體的導(dǎo)電性能可受極微量雜質(zhì)的影響而發(fā)生十分顯著的變化。發(fā)生十分顯著的變化。 半導(dǎo)體的導(dǎo)電能力及性質(zhì)會(huì)受熱、光、電、半導(dǎo)體的導(dǎo)電能力及性質(zhì)會(huì)受熱、光、電、磁等外界作用的影響而發(fā)生非常重要的變化。磁等外界作用的影響而發(fā)生非常重要的變化。第34頁(yè)/共108頁(yè)能級(jí)能級(jí)：在孤立原子中，原子核外的電子繞原子核：在孤立原子中，原子核外的電子繞原子核運(yùn)動(dòng)，它們具有完全確定的能量，這種穩(wěn)定的運(yùn)動(dòng)運(yùn)動(dòng)，它們具有完全確定的能量，這種穩(wěn)定的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)稱為狀態(tài)稱為量子態(tài)量子態(tài)。每一量子態(tài)所取的確定能量稱為。每一量子態(tài)所取的確定能量稱為能級(jí)能級(jí)。

23、介于各能級(jí)之間的量子態(tài)是不存在的。介于各能級(jí)之間的量子態(tài)是不存在的。第35頁(yè)/共108頁(yè)“軌道軌道”：電子出現(xiàn)幾率：電子出現(xiàn)幾率最高的部分區(qū)域。最高的部分區(qū)域。泡利不相容原理泡利不相容原理：在一個(gè)原子或原子組成的系統(tǒng)中，不能有兩個(gè)在一個(gè)原子或原子組成的系統(tǒng)中，不能有兩個(gè)相同的電子同屬于一個(gè)量子態(tài)，即在每一個(gè)能級(jí)中，最多只能容納兩個(gè)自旋方相同的電子同屬于一個(gè)量子態(tài)，即在每一個(gè)能級(jí)中，最多只能容納兩個(gè)自旋方向相反的電子。電子首先填滿最低能級(jí)，而后依次向上填，直到所有電子填完向相反的電子。電子首先填滿最低能級(jí)，而后依次向上填，直到所有電子填完為止。為止。第36頁(yè)/共108頁(yè)能帶能帶：晶體中大量的原子

24、集合在一起，而且原子之間距離很近，致使離原子核：晶體中大量的原子集合在一起，而且原子之間距離很近，致使離原子核較遠(yuǎn)的殼層發(fā)生交疊，殼層交疊使電子不再局限于某個(gè)原子上，有可能轉(zhuǎn)移到相鄰較遠(yuǎn)的殼層發(fā)生交疊，殼層交疊使電子不再局限于某個(gè)原子上，有可能轉(zhuǎn)移到相鄰原子的相似殼層上去，也可能從相鄰原子運(yùn)動(dòng)到更遠(yuǎn)的原子殼層上去，這種現(xiàn)象稱原子的相似殼層上去，也可能從相鄰原子運(yùn)動(dòng)到更遠(yuǎn)的原子殼層上去，這種現(xiàn)象稱為為電子的共有化電子的共有化。從而使本來處于同一能量狀態(tài)的電子產(chǎn)生微小的能量差異，與此。從而使本來處于同一能量狀態(tài)的電子產(chǎn)生微小的能量差異，與此相對(duì)應(yīng)的能級(jí)擴(kuò)展為相對(duì)應(yīng)的能級(jí)擴(kuò)展為能帶能帶。第37頁(yè)/共

25、108頁(yè) 禁帶禁帶：晶體中允許被電子占據(jù)的能帶稱為晶體中允許被電子占據(jù)的能帶稱為允許帶允許帶，允許帶之間的范圍是不，允許帶之間的范圍是不允許電子占據(jù)的，此范圍稱為允許電子占據(jù)的，此范圍稱為禁帶禁帶。被電子占滿的允許帶稱為。被電子占滿的允許帶稱為滿帶滿帶，每一個(gè)能級(jí)上，每一個(gè)能級(jí)上都沒有電子的能帶稱為都沒有電子的能帶稱為空帶空帶。 價(jià)帶價(jià)帶：原子中最外層的電子稱為價(jià)電子，與價(jià)電子能級(jí)相對(duì)應(yīng)的能帶稱為價(jià)：原子中最外層的電子稱為價(jià)電子，與價(jià)電子能級(jí)相對(duì)應(yīng)的能帶稱為價(jià)帶。帶。 導(dǎo)帶導(dǎo)帶：價(jià)帶以上能量最低的允許帶稱為導(dǎo)帶。價(jià)帶以上能量最低的允許帶稱為導(dǎo)帶。 第38頁(yè)/共108頁(yè)允許帶允許帶（導(dǎo)帶）（導(dǎo)帶

26、）允許帶允許帶（價(jià)帶）（價(jià)帶）允許帶允許帶（滿帶）（滿帶）禁帶禁帶E禁帶禁帶第39頁(yè)/共108頁(yè)導(dǎo)帶的底能級(jí)表示為導(dǎo)帶的底能級(jí)表示為Ec（或（或E-），價(jià)帶的頂能級(jí)表示為），價(jià)帶的頂能級(jí)表示為Ev （或（或E+） ，Ec與與Ev之之間的能量間隔稱為禁帶間的能量間隔稱為禁帶Eg。導(dǎo)帶導(dǎo)帶價(jià)帶價(jià)帶禁帶禁帶EVcgEEE或EEcEEV或第40頁(yè)/共108頁(yè) 導(dǎo)體或半導(dǎo)體的導(dǎo)電作用是通過帶電粒子的運(yùn)動(dòng)（形成電流）來實(shí)現(xiàn)的，這種電流的導(dǎo)體或半導(dǎo)體的導(dǎo)電作用是通過帶電粒子的運(yùn)動(dòng)（形成電流）來實(shí)現(xiàn)的，這種電流的載體稱為載體稱為載流子載流子。導(dǎo)體中的載流子是自由電子，。導(dǎo)體中的載流子是自由電子，半導(dǎo)體中的載流

27、子則是帶負(fù)電的電子和半導(dǎo)體中的載流子則是帶負(fù)電的電子和帶正電的空穴。帶正電的空穴。絕緣體、半導(dǎo)體、金屬的能帶圖絕緣體、半導(dǎo)體、金屬的能帶圖a) a) 絕緣體絕緣體 b) b) 半導(dǎo)體半導(dǎo)體 c) c) 金屬金屬第41頁(yè)/共108頁(yè) 半導(dǎo)體兩端加電壓后半導(dǎo)體兩端加電壓后: :如果價(jià)帶中填滿了電子而沒有空能級(jí)，在外電場(chǎng)的作用下，又沒有足夠的能如果價(jià)帶中填滿了電子而沒有空能級(jí)，在外電場(chǎng)的作用下，又沒有足夠的能量躍遷到導(dǎo)帶，那么價(jià)帶中的電子是不導(dǎo)電的。量躍遷到導(dǎo)帶，那么價(jià)帶中的電子是不導(dǎo)電的。價(jià)帶價(jià)帶導(dǎo)帶導(dǎo)帶禁帶禁帶E( (滿帶滿帶) )第42頁(yè)/共108頁(yè)如果價(jià)帶中的電子在外界作用下，能夠躍遷到導(dǎo)帶

28、中，則價(jià)帶中留空位，鄰近如果價(jià)帶中的電子在外界作用下，能夠躍遷到導(dǎo)帶中，則價(jià)帶中留空位，鄰近能級(jí)上的電子在電場(chǎng)作用下可以躍入這些空位，而在這些電子原來的能級(jí)上就出現(xiàn)能級(jí)上的電子在電場(chǎng)作用下可以躍入這些空位，而在這些電子原來的能級(jí)上就出現(xiàn)空位。這樣有些電子在原來熱運(yùn)動(dòng)上迭加定向運(yùn)動(dòng)而形成電流?？瘴?。這樣有些電子在原來熱運(yùn)動(dòng)上迭加定向運(yùn)動(dòng)而形成電流。價(jià)帶價(jià)帶導(dǎo)帶導(dǎo)帶禁帶禁帶E第43頁(yè)/共108頁(yè)由于導(dǎo)帶中存在大量的空能級(jí)，所以在外電場(chǎng)的作用下，導(dǎo)帶電子能夠得到足由于導(dǎo)帶中存在大量的空能級(jí)，所以在外電場(chǎng)的作用下，導(dǎo)帶電子能夠得到足夠的能量躍遷到空的能級(jí)上，形成電流，所以導(dǎo)帶電子是可以導(dǎo)電的。夠的能量

29、躍遷到空的能級(jí)上，形成電流，所以導(dǎo)帶電子是可以導(dǎo)電的。價(jià)帶價(jià)帶導(dǎo)帶導(dǎo)帶禁帶禁帶E第44頁(yè)/共108頁(yè) 價(jià)電子的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)發(fā)生變化價(jià)電子的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)發(fā)生變化, ,使它躍遷到新的能級(jí)上的條件是：使它躍遷到新的能級(jí)上的條件是：能給電子能給電子提供足夠能量的外界作用、電子躍入的能級(jí)是空的提供足夠能量的外界作用、電子躍入的能級(jí)是空的。價(jià)帶價(jià)帶導(dǎo)帶導(dǎo)帶禁帶禁帶E第45頁(yè)/共108頁(yè)1 1、關(guān)于能帶理論，正確的是（）、關(guān)于能帶理論，正確的是（） A A、價(jià)帶是允許帶、價(jià)帶是允許帶 B B、導(dǎo)帶是滿帶、導(dǎo)帶是滿帶 C C、禁帶是允許帶、禁帶是允許帶 D D、導(dǎo)帶是允許帶、導(dǎo)帶是允許帶 2 2、關(guān)于半導(dǎo)體，錯(cuò)誤的是

30、（）、關(guān)于半導(dǎo)體，錯(cuò)誤的是（） A A、電阻溫度系數(shù)一般是正的、電阻溫度系數(shù)一般是正的 B B、導(dǎo)電性能不受微量雜質(zhì)的影響、導(dǎo)電性能不受微量雜質(zhì)的影響 C C、對(duì)溫度的變化非常敏感、對(duì)溫度的變化非常敏感 D D、導(dǎo)電性受熱、光、電、磁等外界作用的影響、導(dǎo)電性受熱、光、電、磁等外界作用的影響 第46頁(yè)/共108頁(yè)3 3、關(guān)于物體導(dǎo)電能力，正確的是（）、關(guān)于物體導(dǎo)電能力，正確的是（） A A、物體導(dǎo)帶上的電子越多，其導(dǎo)電能力越強(qiáng)。、物體導(dǎo)帶上的電子越多，其導(dǎo)電能力越強(qiáng)。 B B、物體導(dǎo)帶上的電子越少，其導(dǎo)電能力越強(qiáng)。、物體導(dǎo)帶上的電子越少，其導(dǎo)電能力越強(qiáng)。 C C、物體價(jià)帶上的電子越多，其導(dǎo)電能力

31、越強(qiáng)。、物體價(jià)帶上的電子越多，其導(dǎo)電能力越強(qiáng)。 D D、物體價(jià)帶上的電子越少，其導(dǎo)電能力越強(qiáng)。、物體價(jià)帶上的電子越少，其導(dǎo)電能力越強(qiáng)。第47頁(yè)/共108頁(yè) 單晶單晶在一塊材料中，原子全部作有規(guī)則的周期排列。在一塊材料中，原子全部作有規(guī)則的周期排列。 多晶多晶只在很小范圍內(nèi)原子作有規(guī)則的排列，形成小晶粒，只在很小范圍內(nèi)原子作有規(guī)則的排列，形成小晶粒，而晶粒之間有無規(guī)則排列的晶粒界隔開。而晶粒之間有無規(guī)則排列的晶粒界隔開。 現(xiàn)代固體電子與光電子器件大多由現(xiàn)代固體電子與光電子器件大多由半導(dǎo)體材料半導(dǎo)體材料制備，半導(dǎo)體材料大多為制備，半導(dǎo)體材料大多為晶體晶體（晶（晶體中原子有序排列，非晶體中原子無序排

32、列）。晶體分為單晶與多晶：體中原子有序排列，非晶體中原子無序排列）。晶體分為單晶與多晶：第48頁(yè)/共108頁(yè) 完全純凈和結(jié)構(gòu)完整的半導(dǎo)體稱為完全純凈和結(jié)構(gòu)完整的半導(dǎo)體稱為本征半導(dǎo)體本征半導(dǎo)體。 在沒有外界作用和絕對(duì)零度時(shí)，本征半導(dǎo)體的導(dǎo)帶中沒有電子，價(jià)帶中沒有在沒有外界作用和絕對(duì)零度時(shí)，本征半導(dǎo)體的導(dǎo)帶中沒有電子，價(jià)帶中沒有空穴，它是不導(dǎo)電的。空穴，它是不導(dǎo)電的。 由于半導(dǎo)體的禁帶寬度較小，所以在外界作用下，價(jià)電子可以激發(fā)躍遷到導(dǎo)由于半導(dǎo)體的禁帶寬度較小，所以在外界作用下，價(jià)電子可以激發(fā)躍遷到導(dǎo)帶中，這樣本征半導(dǎo)體的導(dǎo)帶中有電子，價(jià)帶中有空穴，本征半導(dǎo)體就有了導(dǎo)電能力。帶中，這樣本征半導(dǎo)體的導(dǎo)

33、帶中有電子，價(jià)帶中有空穴，本征半導(dǎo)體就有了導(dǎo)電能力。EEgE第49頁(yè)/共108頁(yè) 晶體總是含有缺陷和雜質(zhì)的，而雜質(zhì)原子上的能級(jí)和晶體其它原子不同，晶體總是含有缺陷和雜質(zhì)的，而雜質(zhì)原子上的能級(jí)和晶體其它原子不同，所以它的位置完全可能不在晶體能帶的范圍之內(nèi)。所以它的位置完全可能不在晶體能帶的范圍之內(nèi)。N N型半導(dǎo)體型半導(dǎo)體P P型半導(dǎo)體型半導(dǎo)體第50頁(yè)/共108頁(yè)N N型半導(dǎo)體型半導(dǎo)體 在晶格中摻入某個(gè)硅原子被磷原子所替在晶格中摻入某個(gè)硅原子被磷原子所替代，五價(jià)原子用四個(gè)價(jià)電子與周圍的四價(jià)原代，五價(jià)原子用四個(gè)價(jià)電子與周圍的四價(jià)原子形成共價(jià)鍵，而多余一個(gè)電子，此多余電子形成共價(jià)鍵，而多余一個(gè)電子，此

34、多余電子受原子束縛力要比共價(jià)鍵上電子所受束縛子受原子束縛力要比共價(jià)鍵上電子所受束縛力小得多，容易被五價(jià)原子釋放，游離躍遷力小得多，容易被五價(jià)原子釋放，游離躍遷到導(dǎo)帶上形成自由電子。易釋放電子的原子到導(dǎo)帶上形成自由電子。易釋放電子的原子稱為稱為施主施主，施主束縛電子的能量狀態(tài)稱為，施主束縛電子的能量狀態(tài)稱為施施主能級(jí)主能級(jí)E ED D。 E ED D位于禁帶中，較靠近材料的導(dǎo)位于禁帶中，較靠近材料的導(dǎo)帶底帶底E EC C 。 E ED D與與E EC C間的能量差稱為間的能量差稱為施主電離能。施主電離能。N N型半導(dǎo)體由施主控制材料導(dǎo)電性。型半導(dǎo)體由施主控制材料導(dǎo)電性。EEgEDE第51頁(yè)/共1

35、08頁(yè)P(yáng) P型半導(dǎo)體型半導(dǎo)體 晶體中某個(gè)硅原子被硼原子所替代，硼原子晶體中某個(gè)硅原子被硼原子所替代，硼原子的三個(gè)價(jià)電子和周圍的硅原子中四個(gè)價(jià)電子要的三個(gè)價(jià)電子和周圍的硅原子中四個(gè)價(jià)電子要組成共價(jià)鍵，形成八個(gè)電子的穩(wěn)定結(jié)構(gòu)，尚缺組成共價(jià)鍵，形成八個(gè)電子的穩(wěn)定結(jié)構(gòu)，尚缺一個(gè)電子。于是很容易從硅晶體中獲取一個(gè)電一個(gè)電子。于是很容易從硅晶體中獲取一個(gè)電子形成穩(wěn)定結(jié)構(gòu)，使硼原子外層多了一個(gè)電子子形成穩(wěn)定結(jié)構(gòu)，使硼原子外層多了一個(gè)電子變成負(fù)離子，而在硅晶體中出現(xiàn)空穴。容易獲變成負(fù)離子，而在硅晶體中出現(xiàn)空穴。容易獲取電子的原子稱為取電子的原子稱為受主受主。受主獲取電子的能量。受主獲取電子的能量狀態(tài)稱為狀態(tài)稱

36、為受主能級(jí)受主能級(jí)E EA A ，也位于禁帶中。在價(jià)帶，也位于禁帶中。在價(jià)帶頂頂E EV V附近，附近， E EA A與與E EV V間能量差稱為間能量差稱為受主電離能受主電離能。P P型半導(dǎo)體由受主控制材料導(dǎo)電性。型半導(dǎo)體由受主控制材料導(dǎo)電性。EEgEAE第52頁(yè)/共108頁(yè)N N型半導(dǎo)體與型半導(dǎo)體與P P型半導(dǎo)體的比較型半導(dǎo)體的比較半導(dǎo)體半導(dǎo)體所摻雜質(zhì)所摻雜質(zhì)多數(shù)載流子多數(shù)載流子（多子）（多子）少數(shù)載流子少數(shù)載流子（少子）（少子）特性特性N型型施主雜施主雜質(zhì)質(zhì)電子電子空穴空穴nnpnP型型受主雜受主雜質(zhì)質(zhì)空穴空穴電子電子nppp摻雜對(duì)半導(dǎo)體導(dǎo)電性能的影響：摻雜對(duì)半導(dǎo)體導(dǎo)電性能的影響： 半導(dǎo)

37、體中不同的摻雜或缺陷都能在禁帶中產(chǎn)生附加的能級(jí)，價(jià)帶中的電子若先躍半導(dǎo)體中不同的摻雜或缺陷都能在禁帶中產(chǎn)生附加的能級(jí)，價(jià)帶中的電子若先躍遷到這些能級(jí)上然后再躍遷到導(dǎo)帶中去，要比電子直接從價(jià)帶躍遷到導(dǎo)帶容易得多。遷到這些能級(jí)上然后再躍遷到導(dǎo)帶中去，要比電子直接從價(jià)帶躍遷到導(dǎo)帶容易得多。因此雖然只有少量雜質(zhì)，卻會(huì)明顯地改變導(dǎo)帶中的電子和價(jià)帶中的空穴數(shù)目，從而因此雖然只有少量雜質(zhì)，卻會(huì)明顯地改變導(dǎo)帶中的電子和價(jià)帶中的空穴數(shù)目，從而顯著地影響半導(dǎo)體的電導(dǎo)率。顯著地影響半導(dǎo)體的電導(dǎo)率。第53頁(yè)/共108頁(yè)EEgE)(aEE)(bgEDEEE)(cgEAE(a)(a)本征半導(dǎo)體本征半導(dǎo)體(b)N(b)N型

38、半導(dǎo)體型半導(dǎo)體(c)P(c)P型半導(dǎo)體型半導(dǎo)體第54頁(yè)/共108頁(yè) 在一定溫度下，若沒有其他的外界作用，半導(dǎo)體中的自由電子和空穴是由在一定溫度下，若沒有其他的外界作用，半導(dǎo)體中的自由電子和空穴是由熱激發(fā)產(chǎn)生的。電子從不斷熱振動(dòng)的晶體中獲得一定的能量，從價(jià)帶躍遷到導(dǎo)熱激發(fā)產(chǎn)生的。電子從不斷熱振動(dòng)的晶體中獲得一定的能量，從價(jià)帶躍遷到導(dǎo)帶，形成自由電子，同時(shí)在價(jià)帶中出現(xiàn)自由空穴。在熱激發(fā)同時(shí)，電子也從高帶，形成自由電子，同時(shí)在價(jià)帶中出現(xiàn)自由空穴。在熱激發(fā)同時(shí)，電子也從高能量的量子態(tài)躍遷到低能量的量子狀態(tài)，向晶格放出能量，這就是載流子的復(fù)能量的量子態(tài)躍遷到低能量的量子狀態(tài)，向晶格放出能量，這就是載流子

39、的復(fù)合。在一定溫度下，激發(fā)和復(fù)合兩種過程形成平衡，稱為合。在一定溫度下，激發(fā)和復(fù)合兩種過程形成平衡，稱為熱平衡狀態(tài)熱平衡狀態(tài)，此時(shí)的，此時(shí)的載流子成為載流子成為熱平衡載流子熱平衡載流子，它的濃度即為某一穩(wěn)定值。，它的濃度即為某一穩(wěn)定值。第55頁(yè)/共108頁(yè) 根據(jù)量子理論和泡利不相容原理，能態(tài)分布服從費(fèi)米統(tǒng)計(jì)分布規(guī)律。根據(jù)量子理論和泡利不相容原理，能態(tài)分布服從費(fèi)米統(tǒng)計(jì)分布規(guī)律。 在某溫度下熱平衡態(tài)，能量為在某溫度下熱平衡態(tài)，能量為E E的能態(tài)被電子占據(jù)的概率由的能態(tài)被電子占據(jù)的概率由費(fèi)米費(fèi)米- -狄拉克狄拉克函數(shù)函數(shù)給出，即給出，即 kTEEFeEf/11 熱平衡時(shí)半導(dǎo)體中自由載流子濃度與兩個(gè)參

40、數(shù)有關(guān)：一是在能帶中熱平衡時(shí)半導(dǎo)體中自由載流子濃度與兩個(gè)參數(shù)有關(guān)：一是在能帶中能態(tài)（或能級(jí)）能態(tài)（或能級(jí)）的分布的分布，二是這些能態(tài)中，二是這些能態(tài)中每一個(gè)能態(tài)可能被電子占據(jù)的概率每一個(gè)能態(tài)可能被電子占據(jù)的概率。f(E)：費(fèi)米分布函數(shù)，能量E的概率函數(shù)k：波耳茲曼常數(shù)，1.3810-23J/KT：絕對(duì)溫度EF：費(fèi)米能級(jí)(絕對(duì)零度時(shí)的電子的最高能級(jí))第56頁(yè)/共108頁(yè)費(fèi)米費(fèi)米- -狄拉克函數(shù)曲線狄拉克函數(shù)曲線當(dāng)當(dāng)E=EF時(shí)，時(shí)，f(E)=1/2當(dāng)當(dāng)E1/2當(dāng)當(dāng)EEF時(shí)，時(shí)，f(E)kT時(shí)時(shí) kTEkTEkTEEkTEEeeeeEfFFF/11 隨著隨著E的增加，的增加， f(E)迅速減小，所以

41、導(dǎo)帶中的大部分電子的能量是在導(dǎo)迅速減小，所以導(dǎo)帶中的大部分電子的能量是在導(dǎo)帶底帶底EC附近。同樣價(jià)帶中空穴的絕大部分都在價(jià)帶頂附近。同樣價(jià)帶中空穴的絕大部分都在價(jià)帶頂EV附近。附近。 EF為表征電子占據(jù)某能級(jí)為表征電子占據(jù)某能級(jí)E的概率的的概率的“標(biāo)尺標(biāo)尺”，它定性表示導(dǎo)帶中電子，它定性表示導(dǎo)帶中電子或價(jià)帶中空穴的多少。常溫下或價(jià)帶中空穴的多少。常溫下EF隨材料摻雜程度而變化。對(duì)于本征半導(dǎo)體隨材料摻雜程度而變化。對(duì)于本征半導(dǎo)體 EF (EC + EV )/2第58頁(yè)/共108頁(yè) 一般，費(fèi)米能級(jí)在禁帶中一般，費(fèi)米能級(jí)在禁帶中， (EEF) 比比kT 大得多。所以半導(dǎo)體的導(dǎo)帶電子濃度大得多。所以半

42、導(dǎo)體的導(dǎo)帶電子濃度n和價(jià)帶空穴濃度和價(jià)帶空穴濃度p分別為：分別為：kTEEkTEEVFFCeNpeNn/N為導(dǎo)帶的有效能級(jí)密度為導(dǎo)帶的有效能級(jí)密度N為價(jià)帶的有效能級(jí)密度為價(jià)帶的有效能級(jí)密度kTEkTEEkTEEkTEEgVCVFFCeNNeNNeNeNpn/pnnnpnii2ni稱為半導(dǎo)體的本征載流子濃度稱為半導(dǎo)體的本征載流子濃度對(duì)本征半導(dǎo)體而言對(duì)本征半導(dǎo)體而言n=p第59頁(yè)/共108頁(yè) 對(duì)于一種確定的半導(dǎo)體，不管它是本征半對(duì)于一種確定的半導(dǎo)體，不管它是本征半導(dǎo)體還是雜質(zhì)半導(dǎo)體，也不管摻雜的程度如何，在導(dǎo)體還是雜質(zhì)半導(dǎo)體，也不管摻雜的程度如何，在熱平衡狀態(tài)下，兩種載流子的濃度乘積必定等于一熱平

43、衡狀態(tài)下，兩種載流子的濃度乘積必定等于一個(gè)常數(shù)個(gè)常數(shù)本征載流子濃度的平方。本征載流子濃度的平方。2ikTEneNNpng/第60頁(yè)/共108頁(yè)a) a) 重?fù)诫s重?fù)诫sP P型型 b) b) 輕摻雜輕摻雜P P型型 c) c) 本征型本征型d) d) 輕摻雜輕摻雜N N型型 e) e) 重?fù)诫s重?fù)诫sN N型型第61頁(yè)/共108頁(yè)半導(dǎo)體的費(fèi)米能級(jí)圖如下圖所示，以下表述中正確的是（ ）A、（1）是本征半導(dǎo)體（2）是N型半導(dǎo)體（3）是P型半導(dǎo)體B、（1）是本征半導(dǎo)體（2）是P型半導(dǎo)體（3）是N型半導(dǎo)體C、（1）是N型半導(dǎo)體 （2）是P型半導(dǎo)體（3）是本征半導(dǎo)體D、（1）是P型半導(dǎo)體 （2）是N型半導(dǎo)體

44、（3）是本征半導(dǎo)體第62頁(yè)/共108頁(yè) 半導(dǎo)體在外界條件有變化（如受光照、外電場(chǎng)作用、溫度變化）時(shí)，載流子濃半導(dǎo)體在外界條件有變化（如受光照、外電場(chǎng)作用、溫度變化）時(shí)，載流子濃度要隨之發(fā)生變化，此時(shí)系統(tǒng)的狀態(tài)稱為度要隨之發(fā)生變化，此時(shí)系統(tǒng)的狀態(tài)稱為非熱平衡態(tài)非熱平衡態(tài)。載流子濃度對(duì)于熱平衡狀。載流子濃度對(duì)于熱平衡狀態(tài)時(shí)濃度的態(tài)時(shí)濃度的增量增量稱為稱為非平衡載流子非平衡載流子。pppnnn00為非平衡載流子濃度和度為熱平衡時(shí)的載流子濃和為半導(dǎo)體的載流子濃度和pnpnpn00第63頁(yè)/共108頁(yè) 電注入電注入：通過半導(dǎo)體界面把載流子注入半導(dǎo)體，使熱平衡受到破壞。：通過半導(dǎo)體界面把載流子注入半導(dǎo)體，

45、使熱平衡受到破壞。 光注入光注入：光注入下產(chǎn)生非平衡載流子表現(xiàn)為價(jià)帶中的電子吸收了光子能：光注入下產(chǎn)生非平衡載流子表現(xiàn)為價(jià)帶中的電子吸收了光子能量從價(jià)帶躍遷到導(dǎo)帶，同時(shí)在價(jià)帶中留下等量的空穴。量從價(jià)帶躍遷到導(dǎo)帶，同時(shí)在價(jià)帶中留下等量的空穴。產(chǎn)生非平衡載流子的方法產(chǎn)生非平衡載流子的方法第64頁(yè)/共108頁(yè)光注入分為強(qiáng)光注入與弱光注入：光注入分為強(qiáng)光注入與弱光注入：滿足滿足 nnpn nn0pn0ni2 nn0 nn0pn0ni2 nn0 nnpn 條件的注入稱為條件的注入稱為弱光注入弱光注入。第65頁(yè)/共108頁(yè)對(duì)于弱光注入對(duì)于弱光注入 n nn n=n=nn0n0+n+nn nnnn0n0 p

46、 pn n=p=pn0n0+p+pn nppn n此時(shí)受影響最大的是少子濃度此時(shí)受影響最大的是少子濃度，可認(rèn)為一切半導(dǎo)體光電器件對(duì)光的響應(yīng)都是少子行可認(rèn)為一切半導(dǎo)體光電器件對(duì)光的響應(yīng)都是少子行為為。例如：一例如：一N N型硅片，室溫下型硅片，室溫下，n nn0n0=5.5=5.510101515cmcm-3-3，p pn0n0=3.5=3.510104 4cmcm-3-3；弱光注入下弱光注入下，n n =p=10=p=101010cmcm-3-3，此時(shí)非平衡載流子濃度此時(shí)非平衡載流子濃度 nn=nn0+nn=5.51015+1010 5.5 1015cm-3 pn=pn0+pn=3.5104+

47、10101010cm-3第66頁(yè)/共108頁(yè) 使非平衡載流子濃度增加的運(yùn)動(dòng)稱為使非平衡載流子濃度增加的運(yùn)動(dòng)稱為產(chǎn)生產(chǎn)生，單位時(shí)間、單位體積內(nèi)增加的，單位時(shí)間、單位體積內(nèi)增加的電子空穴對(duì)數(shù)目稱為電子空穴對(duì)數(shù)目稱為產(chǎn)生率產(chǎn)生率G G。 使非平衡載流子濃度減少的運(yùn)動(dòng)稱為使非平衡載流子濃度減少的運(yùn)動(dòng)稱為復(fù)合復(fù)合，單位時(shí)間、單位體積內(nèi)減少的電，單位時(shí)間、單位體積內(nèi)減少的電子空穴對(duì)數(shù)目稱為子空穴對(duì)數(shù)目稱為復(fù)合率復(fù)合率R R。第67頁(yè)/共108頁(yè) 在光照過程中，產(chǎn)生與復(fù)合同時(shí)存在在光照過程中，產(chǎn)生與復(fù)合同時(shí)存在，在恒定持續(xù)光照下產(chǎn)生率保持在高水，在恒定持續(xù)光照下產(chǎn)生率保持在高水平，同時(shí)復(fù)合率也隨非平衡載流子

48、的增加而增加，直至二者相等，系統(tǒng)達(dá)到新的平，同時(shí)復(fù)合率也隨非平衡載流子的增加而增加，直至二者相等，系統(tǒng)達(dá)到新的平衡。當(dāng)光照停止，光產(chǎn)生率為零，系統(tǒng)穩(wěn)定態(tài)遭到破壞，復(fù)合率大于產(chǎn)生率，平衡。當(dāng)光照停止，光產(chǎn)生率為零，系統(tǒng)穩(wěn)定態(tài)遭到破壞，復(fù)合率大于產(chǎn)生率，使非平衡載流子濃度逐漸減少，復(fù)合率隨之下降，直至復(fù)合率等于熱致的產(chǎn)生率使非平衡載流子濃度逐漸減少，復(fù)合率隨之下降，直至復(fù)合率等于熱致的產(chǎn)生率時(shí)，非平衡載流子濃度將為零，系統(tǒng)恢復(fù)熱平衡狀態(tài)。時(shí)，非平衡載流子濃度將為零，系統(tǒng)恢復(fù)熱平衡狀態(tài)。第68頁(yè)/共108頁(yè)非平衡載流子壽命非平衡載流子壽命（1 1）非平衡載流子從產(chǎn)生到復(fù)合之前的平均存在時(shí)間。非平衡載

49、流子從產(chǎn)生到復(fù)合之前的平均存在時(shí)間。（2 2）當(dāng)非平衡載流子的濃度衰減到原來的當(dāng)非平衡載流子的濃度衰減到原來的1/e1/e所需的時(shí)間。所需的時(shí)間。（3 3）它表征非平衡載流子的它表征非平衡載流子的復(fù)合的快慢，復(fù)合的快慢，小表示復(fù)合快，小表示復(fù)合快，大表示復(fù)合慢。大表示復(fù)合慢。)/(/pn或復(fù)合率復(fù)合復(fù)合是指電子與空穴相遇時(shí)，成對(duì)消失，以熱或發(fā)光方式釋放出多余的能量。是指電子與空穴相遇時(shí)，成對(duì)消失，以熱或發(fā)光方式釋放出多余的能量。第69頁(yè)/共108頁(yè) 通過復(fù)合中心復(fù)合通過復(fù)合中心復(fù)合：復(fù)合中心指禁帶中雜質(zhì)及缺陷。通過復(fù)合中心間接：復(fù)合中心指禁帶中雜質(zhì)及缺陷。通過復(fù)合中心間接復(fù)合包括四種情況：電子

50、從導(dǎo)帶落入到復(fù)合中心稱復(fù)合包括四種情況：電子從導(dǎo)帶落入到復(fù)合中心稱電子俘獲電子俘獲；電子從復(fù)合；電子從復(fù)合中心落入價(jià)帶稱中心落入價(jià)帶稱空穴俘獲空穴俘獲；電子從復(fù)合中心被激發(fā)到導(dǎo)帶稱；電子從復(fù)合中心被激發(fā)到導(dǎo)帶稱電子發(fā)射電子發(fā)射；電；電子從價(jià)帶被激發(fā)到復(fù)合中心稱子從價(jià)帶被激發(fā)到復(fù)合中心稱空穴發(fā)射空穴發(fā)射。表面復(fù)合表面復(fù)合：材料表面在研磨、拋光時(shí)會(huì)出現(xiàn)許多缺陷與損傷，從而產(chǎn)生大：材料表面在研磨、拋光時(shí)會(huì)出現(xiàn)許多缺陷與損傷，從而產(chǎn)生大量復(fù)合中心。發(fā)生于半導(dǎo)體表面的復(fù)合過程稱為表面復(fù)合。量復(fù)合中心。發(fā)生于半導(dǎo)體表面的復(fù)合過程稱為表面復(fù)合。直接復(fù)合直接復(fù)合：導(dǎo)帶中電子直接跳回到價(jià)帶，與價(jià)帶中的空穴復(fù)合。

51、：導(dǎo)帶中電子直接跳回到價(jià)帶，與價(jià)帶中的空穴復(fù)合。第70頁(yè)/共108頁(yè) 當(dāng)沒有外加電場(chǎng)時(shí)，電子作無規(guī)則運(yùn)動(dòng)，其平均當(dāng)沒有外加電場(chǎng)時(shí)，電子作無規(guī)則運(yùn)動(dòng)，其平均定向速度為零。一定溫度下半導(dǎo)體中電子和空穴的熱定向速度為零。一定溫度下半導(dǎo)體中電子和空穴的熱運(yùn)動(dòng)是不能引起載流子凈位移，從而也就沒有電流。運(yùn)動(dòng)是不能引起載流子凈位移，從而也就沒有電流。但漂移和擴(kuò)散可使載流子產(chǎn)生凈位移，從而形成電流。但漂移和擴(kuò)散可使載流子產(chǎn)生凈位移，從而形成電流。第71頁(yè)/共108頁(yè) 載流子因濃度不均勻而發(fā)生的從濃度高的點(diǎn)向濃度低的點(diǎn)運(yùn)動(dòng)。載流子因濃度不均勻而發(fā)生的從濃度高的點(diǎn)向濃度低的點(diǎn)運(yùn)動(dòng)。第72頁(yè)/共108頁(yè) 載流子在外

52、電場(chǎng)作用下，電子向正電極方向運(yùn)動(dòng)，空載流子在外電場(chǎng)作用下，電子向正電極方向運(yùn)動(dòng)，空穴向負(fù)電極方向運(yùn)動(dòng)稱為穴向負(fù)電極方向運(yùn)動(dòng)稱為漂移漂移。 在強(qiáng)電場(chǎng)作用在強(qiáng)電場(chǎng)作用下，由于飽和或雪崩擊穿半導(dǎo)體會(huì)下，由于飽和或雪崩擊穿半導(dǎo)體會(huì)偏離偏離歐姆定律歐姆定律。在弱電場(chǎng)作用在弱電場(chǎng)作用下，半導(dǎo)體中載流子漂移運(yùn)動(dòng)下，半導(dǎo)體中載流子漂移運(yùn)動(dòng)服服從歐姆定律從歐姆定律。第73頁(yè)/共108頁(yè)在在N N型半導(dǎo)體中，漂移所引起的電流密度為：型半導(dǎo)體中，漂移所引起的電流密度為：j電流密度電流密度; ; n為載流子密度；為載流子密度；q為電子電荷；為電子電荷；為載流子平均漂移速度為載流子平均漂移速度nqj 歐姆定律的微分形式

53、為：歐姆定律的微分形式為：j為電場(chǎng)強(qiáng)度為電導(dǎo)率； 有一定的電場(chǎng)強(qiáng)度，就有一定的電流密度，因而也就有一定的平均漂移速度。因此有一定的電場(chǎng)強(qiáng)度，就有一定的電流密度，因而也就有一定的平均漂移速度。因此電場(chǎng)強(qiáng)度與平均漂移速度有關(guān)系。電場(chǎng)強(qiáng)度與平均漂移速度有關(guān)系。第74頁(yè)/共108頁(yè) 遷移率表示載流子在單位電場(chǎng)作用下所取得的漂移速度遷移率表示載流子在單位電場(chǎng)作用下所取得的漂移速度。nqnqnq稱為遷移率設(shè) 在電場(chǎng)中電子所獲得的加速度為在電場(chǎng)中電子所獲得的加速度為為載流子的有效質(zhì)量*/mmqa第75頁(yè)/共108頁(yè)在漂移運(yùn)動(dòng)中，因電子與晶格碰撞發(fā)生散射，故每次碰撞后漂移速度降到零。如在漂移運(yùn)動(dòng)中，因電子與晶

54、格碰撞發(fā)生散射，故每次碰撞后漂移速度降到零。如兩次碰撞之間的平均時(shí)間為兩次碰撞之間的平均時(shí)間為f ，則經(jīng)，則經(jīng)f 后載流子的平均漂移速度為后載流子的平均漂移速度為ffmqa*fmq* 遷移率與載流子的有效質(zhì)量和平均自由時(shí)間有關(guān)。由于空穴的有效質(zhì)量比電子的遷移率與載流子的有效質(zhì)量和平均自由時(shí)間有關(guān)。由于空穴的有效質(zhì)量比電子的有效質(zhì)量大，所以有效質(zhì)量大，所以空穴的遷移率比電子的遷移率小空穴的遷移率比電子的遷移率小。第76頁(yè)/共108頁(yè) 在電場(chǎng)作用下，任何載流子都要作漂移運(yùn)動(dòng)。一般情況下，少數(shù)載流子比多數(shù)載在電場(chǎng)作用下，任何載流子都要作漂移運(yùn)動(dòng)。一般情況下，少數(shù)載流子比多數(shù)載流子少得多，因此漂移電流

55、主要是多數(shù)載流子的貢獻(xiàn)。流子少得多，因此漂移電流主要是多數(shù)載流子的貢獻(xiàn)。 在擴(kuò)散情況下，只有光照所產(chǎn)生的少數(shù)載流子存在很大的濃度梯度，所以對(duì)擴(kuò)散在擴(kuò)散情況下，只有光照所產(chǎn)生的少數(shù)載流子存在很大的濃度梯度，所以對(duì)擴(kuò)散電流的貢獻(xiàn)主要是少數(shù)載流子。電流的貢獻(xiàn)主要是少數(shù)載流子。第77頁(yè)/共108頁(yè) 由于光子的作用使電子由價(jià)帶躍遷到導(dǎo)帶而引起的吸收稱為由于光子的作用使電子由價(jià)帶躍遷到導(dǎo)帶而引起的吸收稱為本征吸收本征吸收。 物體受光照射，一部分被物體反射，一部分被物體吸收，其余的光透過物物體受光照射，一部分被物體反射，一部分被物體吸收，其余的光透過物體。半導(dǎo)體材料吸收光子能量轉(zhuǎn)換成電能是光電器件的工作基礎(chǔ)

56、。體。半導(dǎo)體材料吸收光子能量轉(zhuǎn)換成電能是光電器件的工作基礎(chǔ)。第78頁(yè)/共108頁(yè) 產(chǎn)生本征吸收的條件產(chǎn)生本征吸收的條件：即即gEhmE.EchhEcEhgggg241mEEhcgg24. 10截止波長(zhǎng)截止波長(zhǎng)第79頁(yè)/共108頁(yè) 雜質(zhì)能級(jí)上的電子（或空穴）吸收光子能量從雜質(zhì)能級(jí)躍遷到導(dǎo)帶（空穴雜質(zhì)能級(jí)上的電子（或空穴）吸收光子能量從雜質(zhì)能級(jí)躍遷到導(dǎo)帶（空穴躍遷到價(jià)帶），這種吸收稱為躍遷到價(jià)帶），這種吸收稱為雜質(zhì)吸收雜質(zhì)吸收。雜質(zhì)吸收的波長(zhǎng)閾值多在紅外區(qū)或遠(yuǎn)紅。雜質(zhì)吸收的波長(zhǎng)閾值多在紅外區(qū)或遠(yuǎn)紅外區(qū)。外區(qū)。iVAiDCEchEEchEchEEch或?yàn)殡s質(zhì)的電離能iE第80頁(yè)/共108頁(yè) 導(dǎo)帶內(nèi)的

57、電子或價(jià)帶內(nèi)的空穴也能吸收光子能量，使它在本能帶內(nèi)由低能導(dǎo)帶內(nèi)的電子或價(jià)帶內(nèi)的空穴也能吸收光子能量，使它在本能帶內(nèi)由低能級(jí)遷移到高能級(jí)，這種吸收稱為級(jí)遷移到高能級(jí)，這種吸收稱為自由載流子吸收自由載流子吸收，表現(xiàn)為紅外吸收。，表現(xiàn)為紅外吸收。 價(jià)帶中的電子吸收小于禁帶寬度的光子能量也能離開價(jià)帶，但因能量不夠價(jià)帶中的電子吸收小于禁帶寬度的光子能量也能離開價(jià)帶，但因能量不夠還不能躍遷到導(dǎo)帶成為自由電子。這時(shí)，電子實(shí)際還與空穴保持著庫(kù)侖力的相互還不能躍遷到導(dǎo)帶成為自由電子。這時(shí)，電子實(shí)際還與空穴保持著庫(kù)侖力的相互作用，形成一個(gè)電中性系統(tǒng)，稱為作用，形成一個(gè)電中性系統(tǒng)，稱為激子激子。能產(chǎn)生激子的光吸收稱

58、為。能產(chǎn)生激子的光吸收稱為激子吸收激子吸收。這。這種吸收的光譜多密集與本征吸收波長(zhǎng)閾值的紅外一側(cè)。種吸收的光譜多密集與本征吸收波長(zhǎng)閾值的紅外一側(cè)。第81頁(yè)/共108頁(yè) 半導(dǎo)體原子能吸收能量較低的光子，并將其能量直接變?yōu)榫Ц竦恼駝?dòng)能，從半導(dǎo)體原子能吸收能量較低的光子，并將其能量直接變?yōu)榫Ц竦恼駝?dòng)能，從而在遠(yuǎn)紅外區(qū)形成一個(gè)連續(xù)的吸收帶，這種吸收稱為而在遠(yuǎn)紅外區(qū)形成一個(gè)連續(xù)的吸收帶，這種吸收稱為晶格吸收晶格吸收。 半導(dǎo)體對(duì)光的吸收主要是本征吸收半導(dǎo)體對(duì)光的吸收主要是本征吸收。對(duì)于硅材料，本征吸收的吸收系數(shù)比非。對(duì)于硅材料，本征吸收的吸收系數(shù)比非本征吸收的吸收系數(shù)要大幾十倍到幾萬倍，一般照明下只考慮本

59、征吸收，可認(rèn)本征吸收的吸收系數(shù)要大幾十倍到幾萬倍，一般照明下只考慮本征吸收，可認(rèn)為硅對(duì)波長(zhǎng)大于為硅對(duì)波長(zhǎng)大于1.15m的可見光透明。的可見光透明。第82頁(yè)/共108頁(yè) 半導(dǎo)體的電學(xué)性質(zhì)很大程度上取決于所含雜質(zhì)的種類和數(shù)量。把半導(dǎo)體的電學(xué)性質(zhì)很大程度上取決于所含雜質(zhì)的種類和數(shù)量。把N N型、型、P P型和本征（型和本征（i型）半導(dǎo)體配合起來，結(jié)成不均勻的半導(dǎo)體，能制造各種半導(dǎo)體器件。型）半導(dǎo)體配合起來，結(jié)成不均勻的半導(dǎo)體，能制造各種半導(dǎo)體器件。第83頁(yè)/共108頁(yè) 在無外電場(chǎng)或其它因素激發(fā)時(shí)在無外電場(chǎng)或其它因素激發(fā)時(shí)PNPN結(jié)處于平衡狀態(tài)，沒有電流流過。空間結(jié)處于平衡狀態(tài)，沒有電流流過?？臻g電荷

60、區(qū)的寬度和電位差為恒定值。空間電荷區(qū)中沒有載流子，所以又稱電荷區(qū)的寬度和電位差為恒定值?？臻g電荷區(qū)中沒有載流子，所以又稱耗盡耗盡層層，其寬度一般為數(shù)微米。，其寬度一般為數(shù)微米。 第84頁(yè)/共108頁(yè)P(yáng)NPN結(jié)加正向電壓的情況結(jié)加正向電壓的情況工作原理工作原理在外加電場(chǎng)的作在外加電場(chǎng)的作用下，多子被推向耗盡層，結(jié)用下，多子被推向耗盡層，結(jié)果耗盡層變窄，內(nèi)電場(chǎng)被削弱，果耗盡層變窄，內(nèi)電場(chǎng)被削弱，這有利于多子的擴(kuò)散而不利于這有利于多子的擴(kuò)散而不利于少子的漂移。多子的擴(kuò)散電流少子的漂移。多子的擴(kuò)散電流通過回路形成正向電流。耗盡通過回路形成正向電流。耗盡層兩端的電位差變?yōu)椤Ｒ话阒粚觾啥说碾娢徊钭優(yōu)?。一?/p>